（地质工程专业论文）栗西沟尾矿坝工程地质特征及其稳定性研究.pdf

摘要 尾矿坝是矿山的三大主要组成之一，而上游法尾矿堆积坝的稳定性是尾矿处 理技术遇到的主要难题之一。从可持续发展和环境保护方面考虑，矿山迫切希望 解决好尾矿堆积坝的稳定性问题。本文以栗西沟尾矿堆积坝工程为例，采用理论 分析、数值计算和工程实践相结合的研究方法，对堆积尾矿的物理力学特性、尾 矿的沉积规律及尾矿坝的稳定性进行了深入系统的研究。取得的重要成果如下： ( 1 ) 通过对大量室内外试验成果的分析、总结，研究了尾矿坝的基本特征 及堆积尾矿的颗粒成分、含水率、孔隙比、抗剪强度等物理力学指标的特征，得 出了堆积尾矿的沉积规律，各主要物理力学参数的变化规律等，为尾矿坝的稳定 性计算打下了基础。 ( 2 ) 针对该尾矿堆积所形成的高度大于1 3 0 m 的人工堆积松散边坡，本文采 用静力稳定性计算分析方法和动力稳定性分析方法( 拟静力法和地震稳定性分 析) ，对栗西沟尾矿堆积坝现状和未来的稳定性进行了计算分析，得到不同工况、 不同条件下的动力和静力计算结果。结果表明：坝体在现状( + 1 2 7 3 9 2 m ) 和设 计高程( + 1 3 0 0 m ) 下是稳定的；但随着坝体继续堆高，达到拟定高程+ 1 3 3 0 m 时，尾矿坝的稳定性在特殊情况下( 即洪水和地震共同作用下) ，其稳定系数为 1 0 4 1 ，小于规范值1 0 5 ，坝体处于不稳定状态，不能满足规范要求：尾矿坝继 续堆高，达到+ 1 3 5 0 m 时，在洪水情况下其稳定系数为1 1 4 5 ，略小于规范值1 1 5 ， 处于极限稳定状态；在特殊情况下( 即在洪水和地震共同作用下) ，其稳定系数 为1 0 1 9 ，小于规范值1 0 5 ，尾矿坝处于不稳定状态，不能满足规范要求，需要 进行加固处理。 ( 3 ) 本文通过三种不同评价方法对其液化可能性进行了判断，得出栗西沟 尾矿坝的尾中砂d 5 0 为0 3 1 m m ，不均匀系数为6 6 4 ；尾细砂d 5 0 为o 2 1 m m ，不 均匀系数为4 4 4 ；尾粉砂d s o 为0 1 6 m m ，不均匀系数为8 3 7 ；尾粉土d 5 0 为0 0 5 m m ，不均匀系数为5 9 0 ；尾粉质粘土d 5 0 为0 0 3 m m ，不均匀系数为5 8 7 ；均 属于易液化土层，具备液化条件的土层一旦液化，将危及到整个尾矿坝的安全， 应采取必要的防护措施。 关键词：尾矿坝尾矿工程地质特征稳定性液化 s t u d yo nt a i l i n ge n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e ra n ds t a b i l i t yo f l i - w e s td i t c ht a i l i n g a b s t r a c t t h es t a b i l i t yo ft h et a i l i n gd a mf r o mt h eu p p e rs e c t i o ni so n eo ft h em o s td i f f i c u l t ， p r o b l e m so ft a i l i n g sd i s p o s a l t h em i n ec o m p a n yi si nu r g e n tn e e dt os o l v et h i s p r o b l e mf o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n o nt h eb a s i so f t h ep r o j e c to ft h el iw e s td i t c ht a i l i n gd a m ，t h ew a y so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nc o m b i n ew i t ht h ep r o j e c tp r a c t i c ea r et a k e nt of i i n h e ls t u d yt h e p h y s i c sa n dm e c h a n i c sc h a r a c t e ro ft h ep i l l e dt a i l i n gd a m ，d e p o s i tl a wo ft h et a i l i n g a n dt h es t a b i l i t yo ft h et a i l i n gd a m t h em a i na c h i e v e m e n t sg o t t e na r es h o w na s f o l l o w s ： ( 1 ) t h eb a s e dl a wo ft h et a i l i n gd a mp i l l i n ga n dt h eg r a n u l ec o m p o n e n t 、w a t e r r a t i o 、v o i dr a t i oa n ds h e a r i n gs t r e n g t he t c 、p h y s i c sa n dm e c h a n i c si n d e x i n gc h a r a c t e r 、 t h ed i s t r i b u t i o nl a wa n dt h ei n t e r d e p e n d e n c eo ft h eh o r i z o na n dv e r t i c a l ，a r eg o t t e nb y a n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gt h el a r g eq u a n t i t i e so ft h et e s ta c h i e v e m e n t s f r o mi n d o o r a n do u td o o r w h i c hd og o o dt oc a l c u l a t ea n de v a l u a t et h es t a b i l i t yo f t a i l i n gd a m ； ( 2 ) a n a l y s i st h eh e i g h to ft h el o o s ep i l l e ds l o p ew a sh e i g h tt h a n1 3 0 m ，t h e s t a b i l i t yo ft h el iw e s td i t c ht a i l i n gd a ma tp r e s e n ta n di nf u t u r e ，w a sa n a l y z e db y u s i n gt h em e t h o do fs t a t i ca n dd y n a m i cc a l c u l a t i o n ( s i m i l a r 、s t a t i ca n de a r t h q u a k e s t a b i l i t ya n a l y s i s ) t h er e s u l t sa b o u ts t a b i l i t yi n d i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d i t i ss h o w e dt h a tt h ed a ma tp r e s e n t ( + 1 2 7 3 9 2 m ) a n dt h ed e s i g n e da l t i t u d e ( + 1 3 0 0 m ) a r es t a b l e ；w h e nt h ed a m sh e i g h tw i l lb eu pt ot h ed r a f t e da l t i t u d e + 1 3 3 0 ma n di nt h e s p e c i f i cc o n d i t i o n ( f l o o da n de a r t h q u a k et o g e t h e r ) ，t h es t a b l ec o e f f i c i e n tw i l lb e1 0 4 1 t h a ti ss m a l l e rt h a nt h ec o d e sv a l u e1 0 5 ，t h ed a mw i l lb eu n s t a b l e ，w h i c hi sn o t c o n t e n tw i t ht h ec o d er e q u i r e m e n t ；w i t ht h ed i a l i n gd a m p i l l e do n ，u pt o + 1 3 5 0 m ，i t s s t a b l ec o e f f i c i e n ti s1 1 4 5w h i c hi ss l i g h t l ys m a l l e rt h a nc o d e sv a l u e1 1 5 a n dt h e d a mw i l li nt h el i m i t e q u i l i b r i u ms t a t e ；t h e s t a b l ec o e f f i c i e n ti nt h e s p e c i f i c c o n d i t i o n ( f l o o da n de a r t h q u a k et o g e t h e r ) w i l lb eu pt o1 0 1 9t h a ti ss m a l l e rt h a nt h e c o d e s ( 1 0 5 ) ，t h ed a mw i l lb ei nu n s t a b l ea n du n s a f e ，a n dt h ed a ms h o u l db e r e i n f o r e e d ( 3 ) a c c o r d i n gt o t h ee a r t h q u a k e s t a b i l i t ya n a l y s i so ft h ed a m ，t h em i d d l e d i a m e t e ro ft h el iw e s td i t c ht a i l i n gd a mi s0 3 1 m m t h eu n e v e nc o e f f i c i e n ti s6 6 4 ； t h ed i a m e t e ro ft h et a i lf i n es a n di s0 2 1 m m ，t h eu n e v e nc o e f f i c i e n ti s4 4 4 ；d i a m e t e r o ft h et a i l s i l t i s0 1 6 m m ，t h eu n e v e nc o e f f i c i e n ti s5 9 0 ；t h ed i a m e t e ro ft h et a i l s i l t y c l a yi so 0 3 m m t h eu n e v e nc o e f f i c i e n ti s5 8 7 ；w h i c ha r ea l lb e l o n gt ot h ee a s y l i q u e f a c t i o nh o r i z o n ，o n c et h eh o r i z o nw h i c hp o s s e s s e dt h el i q u e f a c t i o nc o n d i t i o n l i q u e f i e d ，t h eh a z a r do ft h es l i d i n gp a r t l ya n dt h es l o p ew i l lo c c u r , a n dt h en e c e s s a r y p r o t e c t i o nm e t h o ds h o u l db et a k e n k e y w o r d s ：t a i l i n gd a m ；t a i l i n ge n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e r ；s t a b i l i t y ； l i q u e f a c t i o n 稔支辙纠健声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献豁个人和集体，均已l 在文中j 以明确方式标明。本论 文l i 不包含任何未加明确、注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：减 霉一占年，月；。日 论支知识产权权羼声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权列。本人离校后发表或使蹋学位论文或与该论文直接摆关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：苏军年夕影电暖 导师签名：嘶r 月j 。曰 1 绪论 1 1 课题研究的目的与意义 金堆城栗西沟尾矿坝是金堆城钼业公司产矿后由人工堆积尾矿而形成的，该 公司位于陕西省华县金堆镇，是国内乃至亚洲最大的钼生产基地。该尾矿库的初 期坝建于1 9 7 9 年，坝高4 0 m ，底宽1 5 7 5 m ，顶宽4 o m ，坝顶高程1 1 7 6 5 m 。主要由 块石、碎石堆积而成，为一透水坝。该坝1 9 8 3 年开始投入使用，至今己用尾矿逐 级堆积了3 1 道子坝，高于初期坝约l o o m 。每级子坝高约3 4 m ，台面一般宽8 - - l o m 。 目前尾矿堆积标高约为1 2 7 4 m ，距设计坝项标高1 3 0 0 m 仅差2 6 m 。按目前坝顶平均 上升速度4 6 m a ，还可服务6 年。 尾矿是一种矿渣，它以浆状形式排出，储存在尾矿库内。尾矿库是一种特殊 的工业建筑物，它是矿山三大控制性工程之一。它的运营好坏，不仅影响到 矿山企业的经济效益，而且与库区下游居民的生命财产及周边环境息息相关”。 尾矿堆积坝的稳定性，直接涉及到尾矿库能否正常使用。我国每年排弃的尾矿近 3 4 l t 。需占地面积约2 0 k m 2 。据有关文献显示”，我国高含泥极细颗粒尾矿堆积 坝的病害率偏高，因此，必须对高含泥细颗粒尾砂能否用上游法筑坝等问题进行 研究。1 9 9 5 年原中国有色金属工业总公司已把细粒尾矿堆积高坝作为尾矿技术发 展方向之一”。从可持续发展和环境保护方面考虑，矿山迫切希望解决好细粒 尾矿堆积坝稳定性问题。解决好这个难题不仅具有经济效益，而且具有重大的社 会效益。 笔者结合导师科研项目，通过对栗西沟尾矿坝工程地质特征及其稳定性研 究，查找尾矿坝运营过程中可能存在的危险，以便及时准确地对坝体进行安全评 价，为尾矿库增容扩建工作具有一定的现实指导意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 尾矿及其堆积坝稳定性研究现状 目前，国内外对尾矿及其堆坝稳定性的评价程度低，相关资料较少。与之相 关的文献资料与科研成果举例如下：像文献 5 - - 8 中指出，砂土的物理力学性质 与颗粒粒度组成关系密切。文献 9 对一般的尾矿砂力学性质作了初探。文献 1 0 、 1 1 分别根据唐山大地震震后情况对有关尾矿坝的振动稳定性作了一些研 究与分析工作。文献 1 2 3 、 1 3 对白雉山尾矿库筑坝技术以及动力稳定性作了研 究。文献 1 4 1 7 j 研究了尾矿坝坝基软土加固技术，提出了土工合成材料加固措 施；文献 1 8 2 2 研究了加筋土挡墙的作用机理和影响因素等；文献 2 3 、 2 4 研究了尾矿坝地下水渗流情况；文献 2 5 2 7 介绍了种草植树在尾矿坝护坡中的 应用；文献 2 8 介绍了东乡铜矿尾矿库的安全管理经验；文献 2 9 提出了在尾矿 坝等土木工程研究中的一种新试验方法；文献 3 0 提出了尾矿干堆的设想，为未 来尾矿处理提供了一个新思路。 对国外近期文献检索表明有关尾矿坝稳定性研究的文献并不多见，1 9 9 5 年 a m dp e n m a n “1 中介绍了尾矿库设计的一般性原则，1 9 9 5 年r jc h a n d l e r 。“ 介绍了意大利s t a v a 尾矿库垮塌事故，1 9 9 7 年v i c ks g 。2 1 介绍了圭亚那的 o m a i 尾矿库垮坝事故，1 9 9 5 年k m o h d a z i z l i 3 3 介绍了m a l a y s i a 最大的露 天铜矿m a m u tc o p p e r m i n e 的尾矿设计与管理等方面的情况。国外对尾矿库( 坝) 的研究主要集中在环境污染与防治方面，而关于堆积尾矿的研究则很少有报导。 国内而言，对尾矿库( 坝) 的研究要多些( 环境方面的研究相对要少些) ， 据不完全统计，近年来有关尾矿库( 坝) 文献资料分别为：1 9 9 8 年1 6 篇，1 9 9 9 年1 4 篇，2 0 0 0 年1 2 篇，2 0 0 1 年2 6 篇，2 0 0 2 年1 5 篇，在这些研究文献资 料中有关尾矿库( 坝) 稳定性的研究也不多，只占1 0 2 5 ，而有关细粒尾矿 的研究文献资料更为少见。1 9 9 5 年，陈守义”提出“上游法细粒尾矿堆积坝是 尾矿处理技术遇到的难题之一”，并对细粒尾矿堆积坝的不利条件进行了阐述， 提出了如何解决这一棘手问题的一些设想，在该文中提到采用“高频振捣法加固 试验”和在“尾矿泥浆中投入某种添加剂促进其排水固结或者形成某种强度较高 的胶结固体，对尾矿坝进行加固的设想”。1 9 9 5 年原中国有色金属工业总公司 已把细粒尾矿堆积高坝作为尾矿技术发展方向之一，但随着国家机构改革和矿山 企业改制，使得该项技术的研究未取得任何进展。2 0 0 2 年尹光志等”通过试验 研究了人工合成材料与细粒尾矿的界面作用特性。2 0 0 3 年尹光志、魏作安等“” ”以龙都尾矿库细粒尾矿堆坝为实例，研究了细粒尾矿堆积坝地下渗流场的变化 规律，同时利用物理模型研究了细粒尾矿坝加筋加固的作用机理。2 0 0 3 年，魏 作安等对细粒尾矿堆积坝的加固技术进行了研究，创造性地提出了细粒尾矿 堆积坝加固的新方法。正如文献“”中所言“由于目前国内外对尾矿工程特性的研 究并不多见，而对其动力特性的研究则更是甚少”。 尾矿堆积过程的特殊性导致了尾矿堆积物出现松散、离散性强、变化大、未 固结，难以获得原状样等特征，所以对尾矿及其堆坝稳定性进行科学、系统的研 究，具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 2 边坡稳定性研究现状。” 由于尾矿坝的自身特点，其稳定性研究包括众多问题，本次研究就坝体自身 的稳定性，即坝体斜坡稳定性进行研究。故将坝体稳定性研究归入边坡稳定性范 畴。 长期以来，边坡稳定性分析与评价始终是边坡工程中的一个重要研究内容， 是国内外理论界广泛关注的重大课题之一。其研究工作经历了由表及里、由经验 到理论、由定性到定量、由单一评价到综合评价、由传统理论方法到新理论、新 技术的发展过程。各中边坡稳定性分析与评价方法应运而生。通常大致可以分为 定性分析方法、定量分析方法和非确定性分析方法。 ( 1 ) 定性分析方法 定性分析方法又称为工程地质类比法或地质比拟法。主要是通过工程地质勘 察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏形式及失稳的力学机制的分 析，对已变形地质体的成因及其演化历史进行分析，从而给出被评价边坡的稳定 性现状及其可能发展趋势的定性的说明和解释。常用的方法主要有地质分析法 ( 历史成因分析法) 、工程地质类比法、图解法 常用的为赤平极射投影分析法 ( 王思敬，1 9 9 0 ；孙玉科，1 9 8 0 ) 及实体比例投影法 和边坡稳定性专家系统( 由 斯坦福大学于7 0 年代中期完成的用于地质勘察的专家系统p r o p e c t e r ) 等。 其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的因素，注重对边坡自然性的认识，迅 速地对边坡稳定性及其发展趋势作出估计和预测。缺点是不能考虑其内在的应力 与强度、变形与变形能力质检的矛盾，类比条件因地、因时而异，经验性强，无 数量界限。由于不同部门具有其各自的不同特点，在实际应用中有诸多不便。目 前，这类方法的使用已越来越少。 ( 2 ) 定量分析方法 对于重要工程，仅使用定性分析方法是不够的，是不能满足要求的。这时 就需要进行必要的力学分析，给出定量的评价。力学分析以地质分析法为前提， 在对边坡稳定性机理分析的基础上，通过对数学力学分析提出的。目前广泛使用 的定量分析模型分为两大类，一是基于极限平衡理论的极限平衡分析法，二是数 值分析方法 极限平衡分析理论是最经典的确定性分析方法。自1 9 1 6 年彼德森 ( k e p e t t e r s i o n ) 和胡尔顿( h u l t i n ) 提出了最初瑞典圆弧法以后，开创了极 限平衡法分析边坡稳定的先河，此后瑞典学者费兰纽斯( w f e l l e n i u s ) 将最初 的瑞典圆弧法推广到兼有摩擦力和粘结力的土体稳定计算中去，并初步探索了最 危险滑弧位置的变化规律，即现仍使用的瑞典圆弧法( 最简单的条分法) 。2 0 世纪3 0 4 0 年代，很多学者对瑞典圆弧法的基本假设作些修改和补充，提出新 的计算方法，使之更加符合实际情况，如毕肖普( b i s h o p ) 法、简布( j a n b u ) 条分法、王复来法、斯宾塞( s p e n c e r ) 法，沙尔玛( s a r m a ) 法等。目前s a r m a 法是极限平衡方法的最新发展。 极限平衡分析方法存在的不足主要在于：一是忽略了影响因素的非线性和 不确定性。我们在用极限平衡法分析边坡稳定性的时候，都是在确定模式和输入 参数下，搜索临界滑动面可以达到满意的效果，通常把土简化成各向同性体。然 而，由于边坡地质环境、物质构成和岩土结构的复杂性，边坡岩土体物理力学参 数往往具有不确定性，常表现在具有不确定性的变量；二是容易陷入局部最优解。 边坡形成后，因经受多种施工和环境因素的影响，其工程性质无论在时间还是空 间上都具有变异性，加上影响边坡稳定性分析因素的非线性作用，导致边坡的稳 定性分析及i 临界滑动面的搜索就演变成为一个复杂的非线性规划问题。对于这种 具有多极值点的复杂规划问题，传统的优化方法，因易限于局部最优解，难于搜 索到真正的最危险滑面。 随着计算机技术的发展，很多数值计算方法都甬道边坡稳定性分析中。自从 1 9 6 6 你那美国的c l o u g h 和w o o d w a r d 应用有限元分析稳定性问题以来，数值计 算方法在岩土工程中的应用发展迅速，并取得了巨大进展。边坡稳定数值计算方 法主要包括变形介质边坡的有限单元法( 简称f e m 法) 、节理化岩质边坡的离散 单元法( 简称d e n 法) 、快速拉格朗日法( 简称f l a c 法) 、块体介质不连续变 形分析法( 简称d d a 法) 、数值流形元方法( 简称n 潮法) 。数值分析方法考虑 了边坡岩土体的非均匀性和不连续性，可以给出岩土体的应力、应变大小及其分 布情况，避免了极限平衡分析法中将滑动体视为刚体而过于简化的缺点。但它还 不能很好的求解大变形和位移不连续等问题，对于无限域、应力集中等问题的求 解还不理想，不能直接给出可能的滑动面的准确位置及其所对应的安全系数。而 且数值分析软件需要计算参数及信息多，计算工作量大，对于使用人员的技术水 平要求很高。 鉴于以上各种定量分析方法的优缺点，数值分析法通常仅在一些较为重要 的边坡工程中进行应用，对常见的边坡工程来讲，从实际性考虑，工程中最常见 的还是极限平衡法中的条分法。 ( 3 ) 非确定性分析方法 边坡稳定性分析是一种数据有限的问题，并且存在着强烈的不确定性。这就 使得以确定性为指导思想的传统的边坡稳定性分析方法，在工程实际应用中没有 取得令人信服的结果。例如，对三峡工程永久船闸岩质边坡稳定性评价，三个不 同单位的数值分析计算获得三种截然不同的或相距甚远的结果。在许多工程实例 中的稳定性系数计算值大于1 的滑坡，仍会出现失稳破坏；而稳定性系数小于1 的滑坡却又常常是稳定的。7 0 年代中后期，加拿大能源与矿业中心和美国亚利 桑那大学等开始把概率统计理论应用到边坡稳定性的分析中。进入9 0 年代，逐 渐发展了边坡稳定性研究的可靠度分析理论，并借助非线性科学理论，如模糊数 学理论、灰色系统理论、神经网络理论、分形理论等，应用于解释边坡变形破坏 过程及失稳方式和失稳时空预报等。 近年来，该方法在岩土工程中的研究与应用发展很快，为边坡稳定性评价指 明了一个新的方向。但该方法的缺点是：计算前所需的大量统计资料难以获取， 各因素的概率模型及数学特征等的合理选取问题还没有得到很好的解决。另外其 计算通常也较一般的极限破坏方法显得困难和复杂。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本课题研究的主要内容有： ( 1 ) 国内外尾矿坝的运行状况； ( 2 ) 堆积尾矿的颗粒组成及其在尾矿库内的沉积规律分析研究； ( 3 ) 系统地总结与分析堆积尾矿的物理力学特征及其变化规律； ( 4 ) 对栗西沟尾矿坝形成的高度大于1 3 0 m 的松散斜坡的稳定性进行分析评 价； ( 5 ) 对栗西沟尾矿坝使用不同的判别液化方法进行液化的初步判别； ( 6 ) 总结本文的主要成果，阐述对尾矿及其堆积坝稳定性评价问题的一些 认识以及今后值得进一步探讨与研究的问题。 1 3 2 技术路线 本论文研究的技术路线如框图卜1 ： 图卜l 论文研究的技术路线框图 6 2 尾矿坝的特点及其运行状况 2 1 尾矿库类型及特点“们 尾矿库又名尾矿池、尾矿场，它是筑坝拦截谷1 ：3 或围地构成的用以储存尾矿 的场所。根据地形条件的不同，尾矿库可分为3 种类型，即：山谷型、山坡型和 平地型。其特点见表2 - 1 。 表21 尾矿库的型式及特点 库型初期坝平面形式特点备注 初期坝短，工程量小，基建 山谷型在谷口一面筑坝费省，尾矿堆坝工作量小，见图2 1 管理维护简单，应优先选用 利用山坡洼地，三面 山坡型 初期坝长，工程量大，基建 见图2 2 或两面筑坝 费高，管理维护复杂，安全 性差，只在无合适的山谷做 平地型 在平地四周筑坝见图2 3 尾矿库时才选用 图2 1 山谷型尾矿库 图2 2 山坡型尾矿库 图2 3 平地型尾矿库 其中山谷型尾矿库规模较大，是主要的尾矿库形式，它主要由尾矿坝、库区、 泄洪、排水建筑等几部分组成，其中尾矿坝是最主要的构筑物。 2 2 尾矿堆积坝的形式及特点 尾矿坝坝型可分为两大类：一类是初期坝用土、石材料筑成，后期坝( 也称 为子坝) 用尾矿筑成。初期坝可做成透水坝( 近年来采用较多) ，也可做成不透水 坝( 国内早期采用较多) 。后期坝一般采用上游法筑坝，在地震较多的国家( 如日 本、智利等) 常采用下游法或中间加高法筑坝。另一类是整个坝体全用土、石材 料筑成，为延缓投资，也可分期筑坝。 尾矿坝尾矿堆积有干法堆积形式和湿法堆积形式之分。目前，普遍采用湿法 堆积形式，即采用尾矿库的形式贮存尾矿。尾矿堆积坝是由尾矿堆积而成的坝， 它是尾矿库中最主要的构筑物。按照尾矿堆积方式的不同，可分为上游法、中线 法、下游法、高浓度尾矿堆积法和水库式尾矿堆积法( 尾矿库挡水坝) 5 种主要 形式。其中，上游式堆坝法由于工艺简单、便于管理、经济合理而被广泛采用， 我国有8 5 以上的尾矿库是采用该法堆坝。 ( 1 ) 上游式堆坝法 据统计，我国有色金属矿山的尾矿库有8 0 是采用这种方法筑坝，如图2 4 所示。该方法筑坝工艺比较简单，一般在沉积干滩面上，取库区内粗粒尾砂堆筑 高度为1 3 m 的子坝，将放矿支管分散放置在子坝上进行分散放矿，待库内充填 尾砂与子坝坝面平齐时，再在新形成的尾矿干滩面上，按设计堆坝外坡向内移一 定的距离再堆筑子坝。同时，又将放矿管移至新的子坝上继续放矿，如此循环， 一层一层往上堆坝。如果遇见尾矿粒度较细时，可采用水力旋流器进行分级堆坝， 或用池填法、渠槽法等方法筑坝。 上游式尾矿堆积坝的稳定性，取决于沉积干滩面的颗粒组成及其固结程度。 干滩面坡度由矿浆流量、浓度、尾矿粒度、库内水位等诸多因素决定。坡度与距 离的关系一般呈指数分布规律。矿浆流量大、浓度低、尾矿粒径粗、库内水位低 ( 干滩面长) ，则干滩面坡度就陡。反之，干滩面坡度就缓。 上游式堆坝法缺点是容易形成复杂的、混合的坝体结构，致使坝体内的浸润 线抬高或从坝面逸出，从而引起坝体产生渗透破坏或滑坡、滑塌。尤其是在地震 时容易引起液化，降低坝体的稳定性。 图2 4 上游法尾矿堆积坝 ( 2 ) 下游式堆坝法 尾矿堆积坝在初期下游方向移动和升高，而不是坐落在松软细粒的尾砂沉积 物上，基础较好，尾矿排放堆积易于控制。采用水力旋流器分出浓度高的粗粒尾 矿堆坝，粗颗粒( d o 0 7 4 m m ) 含量不小于7 0 ，否则应进行筑坝试验。坝体可 以分层碾压，根据需要设置排渗，渗流控制比较容易，把饱和尾矿区限制在一定 的范围。坝体稳定性较好，容易满足抗震和其他要求。下游式堆积坝，如图2 5 所以。 下游式堆积坝的优点： 尾矿堆积坝不必建在充填密度较低的上游尾矿冲积滩上： 下游面粗粒尾砂充填可按作业规定分层压实筑坝； 下游面底部排水系统可控制降低坝内浸润线位置。 下游式堆坝主要缺点： 需要大量的粗粒尾矿，特别是在使用初期，存在粗粒尾矿量不足的问题 需要一套旋流器分级设施及推土机等机械配合； 存在产生粉尘的问题，不便维护管理。 图2 - 5 下游法尾矿堆积坝 ( 3 ) 中线式堆坝法 中线式堆坝法实质是介于上游法和下游法之间的一种坝型，其特点是在筑坝 过程中坝顶沿轴线垂直升高，堆坝尾矿仍采用水力旋流器分级，和下游筑坝法基 本相似，但与下游法相比，其坝体上升速度更快，筑坝所需材料少，坝体的稳定 性基本上具有下游法的优点，而其筑坝费用比下游法低。中线式筑坝法如图2 - 6 所示。 中线式筑坝法的优点是：坝顶升高到任意高度时所要求的尾砂量都较少，初 期分层加高时，要求超越尾矿池面高度的困难少些。 中线式筑坝法的缺点是：升高到尾矿坝的上游面时要十分谨慎，如上游充填 上升速度快、坡陡，会出现剪切破坏，水位高时可能漫顶。 ( 4 ) 高浓度尾矿堆积法( 圆锥法) 近年来，国外兴起一种浓缩尾矿的堆积方法，将尾矿浓缩到5 0 以上的浓 度，由砂泵输送到尾矿堆积场的某一部位排放，由于高浓度尾矿成浆状或膏状， 图2 - 6 中线法尾矿堆积坝 分级作用比较差，在排放口可以形成锥性堆积体，堆积坡度由矿浆的性质决 定。这种堆存方式适合在较大面积的平地或丘陵地区。但是高浓度尾矿堆积法在 我国尚处于研究阶段。如图2 7 所示： 口 图2 7 高浓度尾矿堆积法( 圆锥法) 高浓度尾矿堆积法的优点是： 库基建投资和运营费用大大减小； 边坝等高的情况下，库容量增大； 尾矿堆积稳定无坍塌； 无需溢流排水系统； 渗流引起环境污染的可能性减小： 废弃和复用过程简单。 高浓度尾矿堆积法的缺点是：技术含量高，操作复杂，管道的磨损大。 ( 5 ) 水库式尾矿堆积法( 尾矿库挡水坝) 该法不用尾矿堆坝，而是用其它材料像修水库那样修建水坝。此类坝称为尾 矿库挡水坝，设计时应按水库的要求进行。如图2 - 8 所示 水库式尾矿库库容一般比较小，但基建投资较高。拦挡坝多采用当地土石料 或废石建造。当尾矿粒度过细，不宜用尾矿堆坝或其他特殊原因时才采用该方法。 放矿位置在坝前不经济或困难大，必须在坝后放矿，矿浆水对环境危害很大，不 容许泄漏。 图2 8水库式尾矿堆积法 2 3 国外尾矿坝的运行状况“” 尾矿坝的事故原因是多方面的，包括：漫顶、静态条件下或地震引起的不稳 定性、渗漏及内部侵蚀作用和基础条件。1 9 9 4 年美国大型坝体学会( u s c o l d ) 尾矿坝分会尾矿坝事故调查结果表明：并没有特定类型的尾矿坝或操作条件更易 于引发事故，同时证实尾矿坝的选址、设计、使用和复垦应该建设在对坝址条件、 选矿生产、地基监测和尾矿特性充分了解的基础上。美国机构u s c o l d 与美国 环境计划署( u n e p ) 进行了尾矿坝事故调查，其中包括决堤、事故、渗漏和其 他因不符合设计标准的性能而引发的事故，并根据尾矿坝事故与坝高、使用状态、 事故原因、坝体类型进行分别统计。 如图2 - 9 所示为尾矿坝事故历史总结。 u s c o l d ( 1 9 9 4 ) 与u n e p ( 1 9 9 6 ) 调查尾矿坝事故与坝高比例如图2 一i o 。 由图2 - 9 、2 - 1 0 均可以看出在尾矿的堆积过程中，大约5 7 的事故( 包括决 堤和事故) 是在坝高低于2 0 m 的坝体上发生的。 坝高m 图2 - 9 尾矿坝事故历史总结 匹习u s c o 0 数据 l 翻u n e p 受据 翼鍪 蕊 一，。冈 & 蕊萋萋羹 9 0 0 1 9 2 5 1 9 5 01 9 7 5 年份 图2 1 0 尾矿坝事故与坝高的比较 事故数量( 就决堤与一般事故而言) 与坝体的使用状态( 服役坝与闭库库) 的比较所示图2 1 l 。调查结果表明：8 2 的一般事故和9 3 的决堤事故发生于 服役坝。 期 毒矗 毒苎 蠢 冒鬟萃水 姻 龌 翅 琳 图2 - 1 1 尾矿坝状态的比较 勰摄罄捺 事故数量( 就决堤与一般事故而言) 与事故类型( 包括决堤、事故) 的比较 图2 1 2 。 匐 矮 堪 赫 图2 1 2 使用中的尾矿坝事故原因与事故类型的比较 事故数量与坝体类型( 包括上游法、挡水法、下游法、中线法及不明的大坝) 的比较图2 1 3 。 嘲 赫 洛 赫 图2 1 3尾矿坝事故原因与坝类型的比较 4 根据事故调查结果表明：对所有的尾矿坝的事故并没有一个统一的主要原 因，事故多由多重原因造成的，其中包括漫顶、静态条件下会地震引起的不稳定 性、渗漏和内部侵蚀、外部侵蚀、结构和基础条件的状态；没有任何一种类型的 尾矿坝可以避免发生事故，并且大多数事故发生在正使用中的尾矿库；就尾矿排 放、水管理和坝体稳定性来说，生产期是一个危险期，因而也是监测和控制至为 关键的时期：边坡失稳和地震是上游法堆积尾矿坝最主要破坏的形式。 2 4 国内尾矿坝的运行状况伯 我国黑色、有色、黄金、化工、核工业、建材等行业的矿山年产出尾矿约3 亿t ，基本上堆存在大约1 5 0 0 座尾矿库中，其中8 0 属于黑色、有色冶金矿山， 其它行业只占2 0 。这些库中最大设计坝高2 6 0 m ，超过1 0 0 m 的有2 6 座，库容 大于1 1 0 8 m 3 的有1 0 座。坝高小于3 0 m 的小库占8 0 左右，但是2 0 的大、 中型库的库容却占了总设计库容的8 0 。 据相关资料估计，在我国矿山诸多尾矿库中，目前处于正常运行的不足7 0 。有的行业4 4 的尾矿库处于险、病、超期服务状况，情况非常不利。如有 色系统统计，该行业矿山有3 9 的矿库为病、险库，具体情况见表2 2 表2 2 有色金属矿山尾矿库运行状态统计表 总库数闭库数在用尾正常库病害库超期库险害库企业数 项目，座，座矿库数数数，座数座数座9 座座 总数2 0 45 51 4 97 84 81 498 7 占在使 用库的 1 0 05 23 396 百分率 占总库 的百分 1 0 02 77 33 8 22 3 56 94 4 率 另据资料显示，我国4 个矿山部门1 9 9 5 年对尾矿库的不完全统计，上游式 尾矿库的运行情况见表2 3 。 表2 3 各类矿山尾矿库运行情况统计表 总库数正常库数病险库数超期库数 矿山类别 座座( )座( )座( ) 黑色金属 7 85 5 ( 6 8 )1 6 ( 2 2 )7 ( 1 0 ) 有色金属 1 4 97 7 ( 5 2 )5 9 ( 3 9 )1 3 ( 9 ) 化工矿山 1 81 l ( 6 1 )4 ( 2 2 )3 ( 1 7 ) 黄金矿山 3 6 8 2 0 6 ( 5 6 )9 9 ( 2 6 )6 3 ( 1 8 ) 目前，我国根据尾矿库安全运行状况，将不能正常运行的尾矿库划分为“事 故库、病库、险库”。凡导致尾矿库整体或局部破坏并丧失全部或局部功能，且 造成一定损失的尾矿库称为“事故库”；凡存在隐患，甚至出现局部破坏，但尚 能保存基本使用功能，尚能继续使用的尾矿库称为“病库”；：尾矿库存在严重病 害，甚至出现局部破坏，不能保证整体安全，有可能丧失使用功能的尾矿库称为 “险库”，危险尾矿库主要表现在：不能安全渡汛，防洪能力不够，以及渗流破 坏较严重或己经滑塌等。据事后原因调查统计分析，国内尾矿库的病害主要表现 有八大类，具体见表2 - 4 。 表2 - 4 国内尾矿库病害分类统计 所占比例 病害 病害类型描述黑色其它全国灾害 类型 4 9 件2 9 件7 8 件4 5 件 i 坝坡失稳，即各种滑坡 o3 41 30 i i初期坝漏矿 8 2 05 14 5 i 雨水、尾矿浆造成的坝面拉沟、子坝溃口 1 4 309 o2 2 筑坝困难，库内滑坡，喀斯特等 1 4 31 3 81 4 11 11 v 坝坡、坝基、坝肩渗水，流土、坝面沼泽化 2 0 43 41 4 i4 5 排洪管、塔、斜槽、隧洞、排渗管等构筑物破坏 3 272 0 82 823 3 3 洪水漫顶，各种原因溃坝 615 862 5 64 4 4 地震引起的液化、裂缝、沉降、位移等 4 102 60 表2 - 4 中来自黑色冶金的4 9 个事件，渍坝比例明显偏低，来自其它行业的 2 9 个事件，溃坝率偏高，是样本中跨坝事件偏多所致，不是随机事件的几率。 6 在全国7 8 个事件中选出4 5 个严重灾害性事件进行了统计，这些事件都造成了一 定程度的灾害：尾矿泄漏，污染环境，一次赔款1 0 万儿以上：流失尾矿浆1 0 万 m 3 以上；溃口冲毁坝体，淹没农田、水糖；洪水漫坝、跨坝致人死亡；构筑物 施工验收不合格造成的返修、重建。 黑色冶金系统的分类统计结果和灾害分类统计结果，比较真实地反映了我国 尾矿库安全运行的实际情况。为了减少事故以下几类事件尤其值得注意： ( 1 ) v 类渗流问题引发的灾害性事故占4 5 ，根据黑色冶金系统的资料，渗 流问题发生的次数占2 0 4 ，这可能是一个略为保守的数字及时采取措施排除隐 患可以避免发生更人的事故； ( 2 ) 雨水、放矿水常造成坝面( 包括外坡和滩面) 拉沟，子坝溃口等事件，若 不及时发现、排除，会酿成大祸。对于滩面短而平、子坝断面过小、支管放矿流 量偏大、浓度偏低的尾矿库，尤其需要加强筑坝管理，禁止排矿无人值守现象； ( 3 ) 在v i 类2 2 个事件中有1 5 件属于4 5 个灾害性事件。环境污染最严重、 损失最大的是栗酉沟尾矿库排洪隧洞塌陷事件。这类事故的主要原因是：地基不 均匀沉降问题，结构强度问题，施下质量问题，也有管理不到位、维护维修不及 时问题： ( 4 ) 在v i i 类2 0 起跨坝事件中洪水漫顶有1 1 件，占这类事件的5 5 。其中 洪山溪抗洪救险及时，未造成损失。库水位过高，子坝先失事而跨坝的有4 件， 占2 0 ；一件因渗流滑坡失事，占5 ；余4 件原因不详，占2 0 。搞好安全渡 汛可以有效减少跨坝事故。 3栗西沟尾矿坝的工程地质特征 3 1 尾矿坝的自然地理及工程地质条件 3 1 1 地形地貌条件 栗西沟尾矿坝位于秦岭山脉东段。地貌成因类型可分为构造侵蚀地貌、构造 剥蚀地貌、流水地貌和人工堆积地貌。构造侵蚀地貌主要表现为研究区内峰峦重 叠，地势陡峻，地形切割剧烈，沟谷发育等地形特征。构造剥蚀地貌表现为区内 有三级夷平面，最高一级由标高1 5 7 7 m 的一系列山头组成，岩性主要为黑云母 安山玢岩、花岗岩、石英岩，其余两级标高分别在1 3 0 0 1 3 5 0 m 和1 2 5 0 1 2 8 0 m 。 后两级夷平面上常有漂卵石等河流堆积物存在( 主要为花岗岩块、卵石、砾石及 粗沙) 其下则多为安山玢岩的基岩。人工堆积地貌主要是尾矿坝。 3 1 2 地质构造条件 研究区在大地构造单元上为秦岭地轴北缘的寒武震旦纪凹陷地带内，经长 期的地壳运动及岩浆活动，形成了各种褶皱和断裂构造。区内大的构造主要为近 东西向的金堆城黄龙铺背斜及其派生的两翼断裂束；北东向的构造主要表现为 两期构造运动，早期形成n e 向褶皱构造，晚期形成n e e 、n w w 和n n e 断裂 构造，现将区内主要构造主要简述如下： ( 1 ) 褶皱 研究区内的主要褶皱为金堆城黄龙铺背斜，该背斜为一走向近东西向的复 式舒缓褶皱，褶皱轴面近于直立，两翼基本对称，两翼发育有次级平行褶皱。研 究区位于该背斜的倾没端 。 ( 2 ) 断裂 区内断裂比较发育，它们在成矿前后具有明显的复活和叠加改造现象，走向 主要有近东西向、北东向和北西向。近东西向端丽的形成基本上于区域褶皱相伴 随，北东向断裂为后期另一次构造形成，是矿物内主要的构造，它形成了一柔错 破碎带，直接控制了矿体的形成及岩浆岩的侵入。 3 1 3 地层岩性条件 该尾矿坝的初期坝体均由块石组成，坝基由板岩组成，堆积坝由各类尾矿砂 土组成。根据勘察资料区内地层为中元古界震旦系高山河组( z ：) 变石英岩、厚 层硅质板岩、薄层硅质板岩、硅质( 条带) 灰